北方地區(qū)主要果樹(shù)育種技術(shù)研究進(jìn)展

王 斐 歐春青 張艷杰 王海波 馬 力 姜淑苓

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所，興城 125100）

1 引言

中國(guó)是多種果樹(shù)的起源演化中心，種質(zhì)資源極為豐富，是世界上最大的果樹(shù)資源國(guó)[1]，有著非常豐富的果樹(shù)品種。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)果樹(shù)育種工作不斷深入，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[2]，優(yōu)良新品種的選育和推廣為果樹(shù)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，我國(guó)蘋(píng)果、梨、葡萄和桃2020 年的種植面積分別為191.18 萬(wàn)hm2、87 萬(wàn)hm2、76.75 萬(wàn)hm2和77.99萬(wàn)hm2。根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，相關(guān)果樹(shù)育種單位制定育種目標(biāo)，通過(guò)雜交育種、芽變選種、實(shí)生選種、誘變育種、組織培養(yǎng)、分子標(biāo)記輔助育種和遺傳轉(zhuǎn)化等育種技術(shù)，培育了一批優(yōu)質(zhì)蘋(píng)果、梨、葡萄和桃新品種，并在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，為北方地區(qū)主要果樹(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

蘋(píng)果、梨、葡萄和桃等果樹(shù)育種工作由最初的群眾性實(shí)生選種轉(zhuǎn)變?yōu)橛心繕?biāo)、有設(shè)計(jì)的育種。蘋(píng)果、梨、葡萄和桃等果樹(shù)的育種技術(shù)主要有雜交育種、芽變選種和實(shí)生選種等常規(guī)育種技術(shù)，由于具有多年生無(wú)性繁殖的特點(diǎn)，逐步發(fā)展了能夠縮短育種周期、提高育種效率的誘變育種、組織培養(yǎng)、分子標(biāo)記輔助育種和遺傳轉(zhuǎn)化等輔助育種技術(shù)，常規(guī)育種技術(shù)和輔助育種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在果樹(shù)育種中發(fā)揮了重要作用。本文主要以蘋(píng)果、梨、葡萄和桃為例，對(duì)我國(guó)北方地區(qū)主要果樹(shù)育種技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行綜述，希望對(duì)果樹(shù)育種工作的深入開(kāi)展提供借鑒。

2 常規(guī)育種技術(shù)

2.1 雜交育種

雜交育種是根據(jù)育種目標(biāo)，選擇配置親本，通過(guò)授粉、受精培育新品種的方法，也是果樹(shù)育種的主要方法。在育成的果樹(shù)品種中，通過(guò)雜交育種培育的品種占60%以上[2]。生產(chǎn)中廣泛栽培的蘋(píng)果品種‘秦冠’是以‘金冠’和‘雞冠’雜交育成的，‘華紅’是以‘金冠’和‘惠’雜交育成的[3]，還有‘華碩’[4]、‘瑞香紅’[5]、‘秦脆’[6]等品種都是通過(guò)雜交育成的。我國(guó)目前主栽的梨品種中，‘早酥’是以‘蘋(píng)果梨’為母本、‘身不知’為父本雜交育成的[7]，‘黃冠’是以‘雪花’和‘新世紀(jì)’雜交育成的[8]，‘玉露香’[9]、‘翠冠’[10]等品種也是通過(guò)雜交育成的。生產(chǎn)中栽培較多的‘巨峰’‘夏黑’‘巨玫瑰’‘華葡紫峰’[11-13]等葡萄品種，‘中油蟠9 號(hào)’‘中蟠19 號(hào)’‘黃金蜜桃1 號(hào)’[14-16]等桃品種也都是通過(guò)雜交育成的。雜交育種主要涉及基因的分離、組合和互作，多年生無(wú)性繁殖果樹(shù)作物雜交后雜種后代性狀廣泛分離，大多數(shù)經(jīng)濟(jì)性狀為多基因控制的數(shù)量性狀，果樹(shù)品種都是非加性效應(yīng)比重很大的基因型，因此，果樹(shù)的雜交育種，既是組合育種，也是優(yōu)勢(shì)育種[17]，雜交育種技術(shù)是果樹(shù)育種的主要技術(shù)，在我國(guó)果樹(shù)新品種培育中發(fā)揮了重要作用。

2.2 芽變選種

芽變是從果樹(shù)的突變中進(jìn)行鑒定、選擇培育新品種的方法，也是果樹(shù)育種常用技術(shù)。蘋(píng)果樹(shù)產(chǎn)生芽變的幾率很大，變異幅度較大，芽變選種是培育蘋(píng)果新品種的重要方法，目前在元帥系蘋(píng)果中已發(fā)現(xiàn)160 余種芽變，從富士類、元帥類的芽變中選育出的品種均超過(guò)10個(gè)，在金冠類、國(guó)光類、紅玉類、嘎拉類的芽變中也選育出多個(gè)蘋(píng)果品種[18]。通過(guò)芽變選育的梨品種約占14%[19]，‘紅南果’[20]‘大果黃花’[21]‘川花梨’[22]等品種都是通過(guò)芽變選育的梨品種。葡萄通過(guò)芽變選育的品種多達(dá)50 個(gè)，包括成熟期變異、果型變異、果實(shí)及顏色變異、果實(shí)無(wú)核變異等，‘巨峰’‘玫瑰香’‘夏黑’的一些芽變品種，已在生產(chǎn)中推廣、種植[23]。桃芽變品種的比例不足5%[24]，主要包括熟期、果個(gè)、果皮顏色等性狀突變[25-28]。因此，對(duì)于易發(fā)生突變的樹(shù)種來(lái)說(shuō)，芽變是重要育種技術(shù)。

2.3 實(shí)生選種

實(shí)生選種是對(duì)果樹(shù)自然授粉種子繁殖產(chǎn)生的變異進(jìn)行選擇，培育新品種的方法。實(shí)生選種是普遍開(kāi)展雜交育種之前的主要方法，像‘金冠’‘元帥’‘國(guó)光’等蘋(píng)果品種，‘南果梨’‘碭山酥’‘鴨梨’等梨品種，‘康能玫瑰’‘莎加蜜’‘高尾’等葡萄品種，‘大久?！罨衤丁忍移贩N都是早期群眾性實(shí)生選種的產(chǎn)物[29-31]。隨著育種技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)生選種不再是果樹(shù)育種的主要方法，近30 年來(lái)通過(guò)實(shí)生選種育成的梨品種僅占5%左右[19]，其中，‘凍豐’是‘蘋(píng)果梨’實(shí)生，‘早生新水’是‘新水’實(shí)生，‘金玉’是‘鴨梨’實(shí)生。蘋(píng)果砧木品種如‘碩果海棠’‘矮化蘋(píng)果砧木Y-2’‘蘋(píng)果砧木Y-3’‘冀砧1 號(hào)’‘冀砧2 號(hào)’‘ZM-2000’均通過(guò)實(shí)生選種育成[32]。葡萄品種如‘甜峰’‘峰后’‘京超’和‘申秀’都是從‘巨峰’的實(shí)生后代中選出的，‘京優(yōu)’和‘京亞’是從‘黑奧林’實(shí)生后代中選出，‘紫金早’和‘中秋’兩個(gè)新品種也是通過(guò)實(shí)生選種育成的[31]。生產(chǎn)中的桃品種‘大久?！墙?jīng)過(guò)實(shí)生選種育成的，以該品種為母本，通過(guò)實(shí)生選種又育成多個(gè)桃品種[33]，例如‘久鮮’[34]‘金黃金’[35]等桃品種都是‘大久保’的實(shí)生后代。桃的大多數(shù)品種是自花結(jié)實(shí)的，遺傳基礎(chǔ)比較簡(jiǎn)單，實(shí)生后代能夠產(chǎn)生遺傳性比較穩(wěn)定、相似于親本的類型，因此，實(shí)生選種是桃新品種選育的有效途徑之一[36]。

3 輔助育種技術(shù)

由于果樹(shù)生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，采用常規(guī)育種技術(shù)開(kāi)展果樹(shù)育種存在周期長(zhǎng)、育種效率低的問(wèn)題，而且果樹(shù)樹(shù)體較大，育種過(guò)程中需要占用大量土地、投入大量人力。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，生物技術(shù)日漸成熟，并逐步被應(yīng)用于果樹(shù)育種中，成為重要的輔助育種技術(shù)。輔助育種技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)的結(jié)合，能夠大大縮短果樹(shù)育種周期、提高育種效率。

3.1 誘變育種

誘變育種是人為地通過(guò)物理、化學(xué)誘變劑對(duì)果樹(shù)器官、組織進(jìn)行處理，誘發(fā)其產(chǎn)生遺傳性的變異，并對(duì)變異進(jìn)行鑒定、選擇，培育新品種的方法。蘋(píng)果品種‘寧光’和‘寧富’是從60Co-γ 射線處理過(guò)的‘國(guó)光’自然雜交種子中選出的[37-38]，‘東垣紅’是從60Co-γ 射線處理過(guò)的‘金冠’自然雜交種子中選出的[39]，以60Co-γ射線處理‘金矮生’的休眠枝，處理后高接，選育出無(wú)銹蘋(píng)果新品種‘岳金’[40]。在‘巴梨’自然雜交種子發(fā)芽過(guò)程中用60Co-γ 射線照射，獲得單系苗木，經(jīng)鑒定篩選育成梨品種‘晉巴梨’[41]，胡鐘東等[42]用60Co-γ射線對(duì)‘清香’梨休眠枝條進(jìn)行處理，獲得了1 個(gè)果實(shí)綜合性狀超過(guò)親本的突變。羅耀武[43]用秋水仙素溶液處理‘玫瑰香’葡萄的生長(zhǎng)點(diǎn)，獲得果粒顯著增大的‘四倍體玫瑰香’，用秋水仙素溶液處理葡萄雜交種子，培育出四倍體葡萄新品種‘秋黑寶’‘早黑寶’等品種[44-45]。以觀賞桃休眠枝條為試材，利用60Co-γ 射線對(duì)觀賞桃休眠枝條進(jìn)行輻照，選育出了6 個(gè)觀賞價(jià)值較高的觀賞桃變異新品系[46]，用CO2激光誘變?cè)缡焖厶摇白釉缟?，育成‘沙? 號(hào)’和‘沙激2 號(hào)’2 個(gè)水蜜桃新品種[47]。誘變育種程序簡(jiǎn)單、速度快，但誘發(fā)變異的方向和性質(zhì)難以掌握[29]，因此，在現(xiàn)代果樹(shù)育種中的應(yīng)用較少。

3.2 組織培養(yǎng)

組織培養(yǎng)是利用植物的器官、組織或細(xì)胞，通過(guò)無(wú)菌操作，在人工培養(yǎng)基上，給予一定的溫度和光照條件進(jìn)行培養(yǎng)的技術(shù)。通過(guò)組織培養(yǎng)，如胚胎培養(yǎng)可誘導(dǎo)未熟雜種胚發(fā)育，克服雜種不育，通過(guò)花藥培養(yǎng)可產(chǎn)生單倍體植株，利用胚乳培養(yǎng)可誘導(dǎo)三倍體植株，利用細(xì)胞原生質(zhì)體培養(yǎng)或融合產(chǎn)生新的優(yōu)良品種[28]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所通過(guò)花藥培養(yǎng)，培育出‘元帥’‘國(guó)光’‘金冠’‘?！皇俊录t星’和‘紅玉’等8 個(gè)品種的花培植株[48]，并成功選育出蘋(píng)果新品種‘華富’[49]。利用花粉發(fā)育單核期的‘錦豐’花藥進(jìn)行培養(yǎng)，獲得了‘錦豐’梨的花培植株[50]。葡萄中通過(guò)花藥培養(yǎng)也誘導(dǎo)獲得葡萄花培植株[51]。在遠(yuǎn)緣雜交、父母本不同倍性間雜交及無(wú)籽育種中會(huì)出現(xiàn)胚早期敗育或退化，通過(guò)離體培養(yǎng)進(jìn)行胚挽救，可以使可能敗育或退化的胚經(jīng)過(guò)適宜的離體培養(yǎng)獲得再生植株[52]，在二倍體與四倍體葡萄雜交時(shí)進(jìn)行胚挽救，成功獲得三倍體葡萄植株[53-55]。在桃育種中，‘紫金紅1 號(hào)’是對(duì)早熟油桃品種的種子進(jìn)行胚挽救培育而成的桃品種[56]，‘中蟠桃10 號(hào)’‘中油蟠36-3’等也均是通過(guò)胚挽救的方法獲得的蟠桃品種[57-58]。

3.3 分子育種

分子生物學(xué)的不斷發(fā)展和完善為果樹(shù)高效育種提供新技術(shù)，如分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因育種等在果樹(shù)育種中的應(yīng)用，不僅可以使植株快速、精準(zhǔn)地獲得目標(biāo)性狀，還可以對(duì)果樹(shù)雜交群體進(jìn)行預(yù)先選擇，在幼苗期即可淘汰非目標(biāo)植株，大大提高果樹(shù)育種效率。

為了開(kāi)發(fā)可用于輔助育種的分子標(biāo)記，研究人員開(kāi)展了相關(guān)研究，在蘋(píng)果上相繼篩選出與短枝型密切相關(guān)的分子標(biāo)記[59]、與果實(shí)酸性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記[60]以及與蘋(píng)果果皮紅色/非紅色性狀相關(guān)的標(biāo)記[61]。在梨上獲得了與果實(shí)形狀[62]、矮化等基因連鎖的標(biāo)記[63]，并檢測(cè)到1 年生枝長(zhǎng)度、粗度和節(jié)間長(zhǎng)度的QTL[64]。在桃的研究中，開(kāi)發(fā)了果皮有毛/無(wú)毛、果形扁平/圓形、果肉硬質(zhì)/非硬質(zhì)、紅肉/非紅肉、抗/感蚜、圓形/扁圓形的分子標(biāo)記[65-66]。在葡萄中開(kāi)發(fā)了檢測(cè)無(wú)核基因的探針以及抗白粉病、抗白腐病、抗霜霉病和抗黑痘病等基因的標(biāo)記[67-71]。

在果樹(shù)的遺傳轉(zhuǎn)化方面也取得一些進(jìn)展，但仍處于試驗(yàn)研究階段，比如獲得了轉(zhuǎn)入Es-DREB2B和ScALDH21基因的蘋(píng)果株系，且初步驗(yàn)證了這兩種外源基因的耐鹽功能[72]；獲得了轉(zhuǎn)入rolB基因的豆梨和杜梨[73-74]，李桂琴等[75]則通過(guò)構(gòu)建‘鴨梨’PPO基因的反義表達(dá)載體，獲得相應(yīng)的突變體苗。吳延軍[76]和張亞林等[77]分別以桃幼胚子葉和莖段為受體，獲得了桃轉(zhuǎn)ACO反義基因的抗性材料和反義多聚半乳糖醛酸酶(PG) 基因的轉(zhuǎn)化植株。葡萄上也獲得了轉(zhuǎn)VvACS1基因和VqRSGT基因的株系[78-79]。分子育種技術(shù)主要處于研究階段，目前在果樹(shù)育種實(shí)踐中應(yīng)用仍較少。

4 總結(jié)與展望

北方果樹(shù)育種技術(shù)主要包括常規(guī)育種技術(shù)和輔助育種技術(shù)。常規(guī)育種技術(shù)仍是主要技術(shù)，大多數(shù)品種都是通過(guò)常規(guī)育種技術(shù)選育的，只有少數(shù)品種是通過(guò)常規(guī)育種和生物技術(shù)輔助育種共同育成的。芽變選種的育種周期相對(duì)較短，但芽變的突變存在不確定性。雜交育種是北方果樹(shù)的主要育種技術(shù)，但前期開(kāi)展雜交育種時(shí)的親本選擇主要以我國(guó)優(yōu)良品種和地方品種為主[19]，雜交親本的范圍在一定程度上影響了雜種后代的遺傳變異。隨著育種工作的不斷深入，雜交育種也從簡(jiǎn)單地選擇優(yōu)良品種作親本逐步轉(zhuǎn)變到設(shè)計(jì)育種，針對(duì)目標(biāo)性狀，以具有優(yōu)異性狀的種質(zhì)或品種做親本，經(jīng)多代雜交聚合優(yōu)異性狀，最終培育優(yōu)良新品種。因此，挖掘具優(yōu)異性狀的資源、創(chuàng)制新種質(zhì)以及明確性狀的遺傳變異規(guī)律，是開(kāi)展雜交育種、提高育種效率的重要基礎(chǔ)。

隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，生物技術(shù)也逐步應(yīng)用于果樹(shù)育種中，但目前分子標(biāo)記輔助育種、遺產(chǎn)轉(zhuǎn)化等育種技術(shù)在北方果樹(shù)育種實(shí)踐中的應(yīng)用仍較少，我國(guó)果樹(shù)分子育種技術(shù)的研究和應(yīng)用相對(duì)滯后，這也是現(xiàn)代果樹(shù)育種技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，蘋(píng)果[80]、梨[81-82]、葡萄[83]和桃[84]等很多果樹(shù)完成了全基因組測(cè)序，果樹(shù)全基因組測(cè)序的完成為果樹(shù)分子設(shè)計(jì)育種策略提供生物信息基礎(chǔ)[85]，基于基因組學(xué)的全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)和基因組選擇(GS)在果樹(shù)育種中開(kāi)展相關(guān)研究，能夠?yàn)楣麡?shù)育種提供重要的理論支撐。因此，基于基因組信息輔助選擇育種、轉(zhuǎn)基因生物育種等技術(shù)在果樹(shù)育種中的深入研究和開(kāi)發(fā)利用，將加快果樹(shù)新品種的精準(zhǔn)選育，大大縮短果樹(shù)育種周期，提高育種效率，也將成為現(xiàn)代果樹(shù)育種的重要技術(shù)。